人类历史上的第四种发电技术你了解吗？

氢能及燃料电池系列

有人将2018年定义为中国氢能发展的元年，在这一年，氢能一天比一天火热，从行业圈内默默的发展，渐渐走近大众的视野，被誉为21世纪最有前景的替代能源，各大企业也都扎堆进入氢能行业，氢能项目也火热得千金难求。如果不了解点氢能以及相关技术的知识，可能已经跟不上整个能源行业的发展，交能网借鉴各类文献，结合自身在德国亚琛工大的专业研究，希望从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状，希望读者对氢能产业有个初步的了解。

引言：近年来，燃料电池逐步走入大众视野。燃料电池技术被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术。它不仅在航空航天和国防应用领域发挥着重要的作用，更逐渐推动着许多领域的商业应用。由于燃料电池技术的固有优势 - 高效率和低排放，使得燃料电池技术在广泛的应用中具有相当大的潜力。

从实验室走向应用

燃料电池的原理由德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班于1838年首次提出，并刊登在当时著名的科学杂志。基于尚班的理论，1839年，威廉格罗夫爵士在水电解研究中首次发现了燃料气体直接电化学发电的现象。

之后很长一段时间，燃料电池仅处于实验室阶段，由于理论以及材料方面的不完善，一直未能投入实践。直到燃料电池效应发现将近100年后的1932年，弗朗西斯·培根制造出了第一个可以投入实际生产的燃料电池。这之后又过了二十多年直到20世纪中期，达到千瓦级别的燃料电池才得以问世。在同一时期，太空计划的开展成为了燃料电池技术发展的最大推动力。尤其在载人航天领域，除燃料电池外别无他法。从1970年左右开始，燃料电池技术开始应用于更加广阔的领域(最初用于发电厂)。 今天，在第一次发现燃料电池现象后将近180年后，燃料电池正在规模化和商业化的路上越走越远。

航天飞机及航天飞机中的燃料电池

燃料电池里发生了什么

燃料电池的发电原理与电池其实大致相同，实质是燃料气体和氧化剂发生电化学反应，可以看作是另一种“燃烧反应”。燃料电池主要有三个组成部分，阴极，阳极和电解质：

•电解质:电解质材料决定了燃料电池的类型

•阳极：将燃料分解成电子和离子，通常由铂制成

•阴极：将离子转化为水(有时还有二氧化碳)，通常由镍或纳米材料制成

想必学过高中化学的各位，努力回想下就能想起来：电化学反应主要发生在阴极、电解质以及阳极、电解质的交界处。阳极催化燃料气体的氧化反应(如氢的氧化过程)，阴极催化氧化剂的还原反应。由于阴极与阳极间电解质的存在，导电离子将在电解质内进行迁移，而电子将通过外电路进行迁移，在这个过程中产生了电流与电回路，从而达到了发电的效果。

虽然燃料电池与电池原理相同，但仍有许多不同之处。在电池中，化学反应的反应物和反应产物都是电池的一部分，而在燃料电池中，反应物(燃料和氧化剂)需要从外界不断供给，而反应产物也需要不断排出。那么这样就会导致一个明显的差异：燃料电池系统的容量与电池不同，在燃料电池中系统容量可以说是有无限种可能，燃料电池的容量是由燃料的多少或者说燃料的储存容器尺寸决定的，与实际燃料电池的性能无关。电池的性能决定了电池的功率及容量，而燃料电池仅仅决定功率而不决定容量。

燃料电池中的电化学反应与内燃机不同，不是基于热力循环，因而不受卡诺循环的限制，从而在理论上能够达到很高的效率。在实际应用中，由于各种技术限制以及设备整体的耗能，导致实际的电转化率一般在40-60%，很大一部分能量将转化为热能释放。为了保持燃料电池的正常运行，这一部分多余的热量必须被冷却，以免燃料电池过热。另一种思路，是将所散发的热量进行收集利用，形成热电联供，产生的热量甚至可以进行下游的进一步发电(如涡轮机发电)。在热电联供的情况下，燃料电池的总效率可以达到惊人的80%。

根据其面积，单个燃料电池产生的功率范围为几瓦至约1千瓦，电压范围为0.5至1V，通常为0.7V。 为了提供更高的电压和功率，必须借助双极板串联许多燃料电池，这就是所谓的燃料电池的堆叠。燃料电池堆叠可包括多达几百个单独的电池。 下图简要示意了燃料电池的堆叠：

燃料电池有哪些?

不同类型的燃料电池取决于所使用的电解质的不同。由于不同电解质的(离子)性质，不同燃料电池也在不同的温度下运行。 下图简单阐述了不同类型的燃料电池，其中燃料电池的运行温度从底部到顶部逐渐上升。

下表也给出了一些基本特征：

1.质子交换膜燃料电池(PEMFC)

低温运行，应用范围广，燃料电池汽车的首选

阳极反应：2H2→4H++4e-

阴极反应： O2+4H++4e-→2H2O

整体电池反应：2H2 + O2 → 2H2O

PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作为电解质、铂作为催化剂，备受燃料电池汽车的青睐。

优点：运行温度相对较低，一般在80℃-100℃

可以根据需要灵活调整输出功率

理论电转化率可达到80%左右

缺点：由于启动温度较低导致必须使用纯度很高的氢

电极采用贵金属

为克服高纯度氢气需求限制，目前PEMFC出现高温型技术路线，其原理为将水基电解质变成 无机酸基电解质，该类电池运行温度可以高达200℃，对氢气的纯度要求较低，但有能量密度较低的弊端。

2.固氧化物燃料电池(SOFC)

运行温度高，主要应用于发电厂

阳极反应：2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−

阴极反应：O2 + 4e– → 2O2−

整体电池反应：2H2 + O2 → 2H2O

SOFC采用固体陶瓷(如氧化锆-氧化钇)作为电解质。SOFC拥有各类燃料电池中最高的运行温度，高达 800-1000℃，广泛应用于大型、小型固定式热电联产发电站。

优点：它对铂催化剂依赖较小

燃料不仅可以使用氢气，还可以使用多种碳氢化合物

其能量转换效率超过60%，如果热量能够被回收利用，那么总转化率则可达到80%。

缺点：受限于启动时间长，很难应用于汽车领域

3.碱性燃料电池(AFC)

运行温度很低，催化剂可使用非贵金属，主要应用于航天领域

阳极反应：2H2 + 4OH− → 4H2O + 4e−

阴极反应：O2 + 2H2O+ 4e– → 4OH−

整体电池反应：2H2 + O2 → 2H2O

AFC采用如氢氧化钾、碱性聚合物之类的碱性电解质，运行温度60℃左右。广泛应用与航天领域。

优点：可以使用非贵金属作为催化剂(一般采用镍)

在各类燃料电池中拥有最高的电能转换效率，最高可达70%。

4.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

运行温度高，主要应用于大型发电厂

阳极反应：CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e−

阴极反应：CO2 + ½O2 + 2e− → CO32−

整体反应：H2 + ½O2 → H2O

MCFC采用附着在多孔陶瓷上的熔融碳酸盐(包括碳酸锂、碳酸钾及碳酸锂)作为电解质，在高温下，这种盐变为熔化态允许电荷(负碳酸根离子)的在电池中移动。运行温度为650℃左右。MCFC主要用于发电厂，其热电联产效率可以达到80%以上。

优点：对贵金属催化剂的依赖较低

可以使用多种燃料(例如水煤气等)

缺点：高温和碳酸盐电解质导致在阳极和阴极的腐蚀，降低耐久性和电池寿命

启动时间缓慢，且高温，不适合移动应用

5. 磷酸燃料电池(PAFC)

技术成熟的第一代燃料电池技术

阳极反应：2H2→4H++4e-

阴极反应： O2+4H++4e-→2H2O

整体电池反应：2H2+ O2 → 2H2O

PAFC采用磷酸或磷酸基电解质，运行温度为190℃左右，主要应用在功率100-400kW的固定式发电站中。

优点：铂催化剂中毒率低 技术成熟

缺点：发电效率低 成本较高

综上所述，

第一代燃料电池包括碱性燃料电池(AFC)和磷酸型燃料电池(PAFC)。AFC是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。PAFC在技术层面和商业化上已经非常成熟。

熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。

固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有较高的能量效率,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠，并且通过固态的电解质膜避免了电解质腐蚀。PEMFC应用范围较广，也是交通领域燃料电池的首选。

除这5类燃料电池外，还有较新的甲醇燃料电池(DMFC)，是直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池。其运行温度不高，为60-130℃。结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应好、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛。主要应用于移动式电源，固定发电设备及汽车动力源。

燃料电池未来展望及小结

燃料电池作为和锂电池并驾齐驱的21世纪两大能源热题，越来越受大众视野的关注。燃料电池问世180年，但真正快速发展也不过只有寥寥几十年，这意味着燃料电池在未来还拥有着巨大的潜力，也意味着燃料电池技术在现如今还有很多的不足。

从最初的第一代燃料电池，仅仅应用于航空航天领域，到现在的质子交换膜燃料电池，燃料电池技术的应用领域得到了极大的扩展。

在固定式发电领域，对比传统发电厂，燃料电池技术以电能转化率高的优势凸显而出，尤其在热电联供的情况下，效率可以高达80%。此外，大部分燃料电池对比传统发电厂拥有很小的环境污染，这包括更少的温室气体及有害气体排放，以及极小的噪声污染。

在交通领域，燃料电池技术也与锂电池技术花开两朵，各表一枝。最突出的燃料电池动力车(FCEV)，与传统燃油车相比，FCEV拥有着环保，低排放的优势，与电动汽车相比，FCEV没有传统电动汽车严峻的里程困扰(市场上的燃料电池汽车可行使400-500km)，并且由于储氢罐的存在，使得燃料电池优于锂电池的自放电。并且FCEV的加氢过程耗时远小于电动汽车充电时间，5分钟之内就可以完成。目前市场上许多汽车企业已开始对FCEV进行尝试，像丰田的未来、奔驰的F-Cell都是很好的例子。

燃料电池还可以搭建便携式电源系统，在生活领域中(即电子产品，露营车，小木屋)工业领域中(即为偏远地区提供电力，通信塔，安全，气象站等)及军事领域中使用。但燃料电池的便携式领域由于种种原因，进展缓慢，仍处于半停滞状态，在未来各项技术成熟之后可能成为燃料电池技术的又一大应用领域。

现阶段的燃料电池技术其实仍不够完善，还有很多技术及实践层面的问题。最大的问题，燃料电池目前的经济性还不能得以保证，这也是燃料电池汽车现在为数不多的原因之一。其次是燃料问题，氢的制备，运输和存储在近几十年已经有了质的飞跃，但仍有很多技术不成熟的点需要逐步完善，其次加氢站的建设问题也是制约燃料电池技术投向实践的一大问题。另外，燃料电池的铂中毒问题，严重制约了燃料电池的寿命与稳定性。高温燃料电池的较长响应时间也是不足之处。

但燃料电池技术还年轻，需要时间去成长，去发展。相信不远的未来，燃料电池技术将会改变我们的生活。

【参考文献】

1.Grundlagen, Stand und Perspektiven der Brennstoffzellen-Technik (Dr. Erich K. Erdle DaimlerChrysler AG Friedrichshafen)

2.Grundlagen und Technik der Brennstoffzellen (Jülich Forschungszentrum IEK-3)

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

4.燃料电池的原理、技术状态与展望(衣宝廉)